信标光捕获跟踪装置及信标光捕获跟踪方法与流程

本发明涉及激光通信
技术领域：
，具体涉及一种信标光捕获跟踪装置及信标光捕获跟踪方法。
背景技术：
激光通信作为一种新型的通信手段，因其具备信道容量大、速率高、保密性强、误码率低、覆盖性广等优点得到越来越广泛的应用。在激光通信过程中，要保证稳定的通信，最为关键的步骤就是建立激光通信链路。激光通信链路的建立过程就是对信标光在空间上的捕获跟踪过程。现阶段对信标光的捕获跟踪需要花费的时间较长，效率较低，使得通信的实时性能不足，难以满足使用需求。技术实现要素：针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种信标光捕获跟踪装置，其在相同时钟频率下能增加信标光的捕获帧数，缩短信标光捕获跟踪时间，提高捕获跟踪效率。为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种信标光捕获跟踪装置包括：光学装置，所述光学装置用于接收信标光并传输光斑信号；执行机构，所述执行机构承载光学装置，用于调整所述光学装置接收信标光的角度；cmos图像传感器，所述cmos图像传感器用于感应所述光学装置输出的光斑信号，输出像素点灰度值的电信号；fpga，所述fpga用于接收所述cmos图像传感器输出的像素点灰度值电信号，计算光斑相对于光学装置检测中心的中心位置误差和cmos图像传感器下一次感应光斑信号窗口的大小；控制器，所述控制器用于接收所述fpga计算的光斑中心位置误差，控制执行机构运动，进而调整光学装置接收信标光的角度，使信标光逐渐逼近所述光学装置的检测中心。在上述技术方案的基础上，所述fpga用于采用质心算法计算光斑的质心坐标(cx，cy)，并将质心坐标(cx，cy)与检测中心的坐标(cx0，cy0)相减得到所述光斑中心位置误差。在上述技术方案的基础上，所述cmos图像传感器下一次感应光斑信号窗口的大小小于当前感应光斑信号窗口的大小，且下一次感应光斑信号窗口的区域包含以检测中心为圆心，中心位置误差为半径的圆。在上述技术方案的基础上，所述装置还包括显示器，所述fpga还用于将像素点灰度值的电信号转换为光斑图像数据，所述显示器根据光斑图像数据显示光斑。在上述技术方案的基础上，所述fpga为所述cmos图像传感器配置时钟、帧有效信号以及行有效信号。本发明还提供一种使用上述的信标光捕获跟踪装置的信标光捕获跟踪方法，包括以下步骤：s1，光学装置扫描捕获信标光，并传输光斑信号；s2，cmos图像传感器接收光斑信号，并输出像素点灰度值的电信号；s3，fpga接收像素点灰度值的电信号，计算光斑相对于光学装置检测中心的中心位置误差；s4，控制器接收fpga计算的光斑中心位置误差，控制执行机构运动，进而调整光学装置接收信标光的角度，使光学装置的检测中心靠近信标光；s5，fpga根据光斑中心位置误差计算cmos图像传感器下一次感应光斑信号窗口大小；s6，重复步骤s2到s5，使信标光逐渐逼近所述光学装置的检测中心。在上述技术方案的基础上，fpga根据光斑中心位置误差计算cmos图像传感器下一次感应光斑信号窗口大小的步骤包括：采用质心算法计算光斑的质心坐标(cx，cy)，并将质心坐标(cx，cy)与检测中心的坐标(cx0，cy0)相减得到所述光斑中心位置误差；以检测中心为圆心、中心位置误差为半径的圆为基准，构建下一次cmos图像传感器感应光斑信号窗口，并使下一次感应光斑信号窗口的区域包含所述圆，且小于当前窗口的大小。在上述技术方案的基础上，所述fpga还用于将像素点灰度值的电信号转换为光斑图像数据并通过显示器显示。在上述技术方案的基础上，所述fpga为所述cmos图像传感器配置时钟、帧有效信号以及行有效信号。与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)本发明的信标光捕获跟踪装置，在捕获跟踪过程中，可以根据信标光与检测中心的位置来不断缩小cmos图像传感器感应光斑信号的窗口，在相同时钟频率下能增加信标光的捕获帧数，缩短光斑信标光捕获跟踪时间，提高捕获跟踪效率。(2)本发明的信标光捕获跟踪装置，在捕获跟踪过程中，可以根据信标光与检测中心的位置来不断缩小cmos图像传感器感应光斑信号的窗口，减少引入更多的背景光和噪声，提高cmos图像传感器感应光斑信号的效果。附图说明图1为本发明实施例中一种信标光捕获跟踪装置的结构示意图；图2为本发明实施例中一种信标光捕获跟踪方法的流程示意图。具体实施方式以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。参见图1所示，本发明实施例提供一种信标光捕获跟踪装置，包括：光学装置、执行机构、cmos图像传感器、fpga以及控制器。光学装置用于接收信标光并传输光斑信号。具体地，光学装置由反射镜、合束镜、光学天线等光学器件组成，接收信标光并传输光斑信号。执行机构承载光学装置，用于调整光学装置接收信标光的角度。具体地，执行机构包括伺服电机和承载光学装置的平台，执行机构可以根据控制指令调整光学装置的角度来接收信标光。cmos图像传感器用于感应光学装置传输的光斑信号，输出像素点灰度值的电信号。具体地，光学装置传输的光斑信号照射到cmos图像传感器，cmos图像传感器感应产生像素点灰度值的电信号。fpga用于接收所述cmos图像传感器输出的像素点灰度值电信号，计算光斑相对于光学装置检测中心的中心位置误差和cmos图像传感器下一次感应光斑信号窗口的大小。具体地，fpga用于采用质心算法计算光斑的质心坐标(cx，cy)，并将质心坐标(cx，cy)与检测中心的坐标(cx0，cy0)相减得到所述光斑中心位置误差。用(x,y)表示像素点在cmos图像传感器焦平面中的坐标位置，v(x,y)为该像素点对应的灰度值，则光斑质心坐标计算公式可以表示为：其中，w(x,y)表示质心计算过程中每个像素点的权重，若像素点背景灰度值为t，则权重w(x,y)的计算公式为：同时，cmos图像传感器下一次感应光斑信号窗口的大小小于当前感应光斑信号窗口的大小，且下一次感应光斑信号窗口的区域包含以检测中心为圆心，中心位置误差为半径的圆。具体地，捕获跟踪过程中，cmos图像传感器感应光斑信号窗口大小的选择可以采取如下表所示方案：窗口大小位置误差大小全窗口320*256(初始)d1≤d＜d0m1×n1d2＜d＜d1m2×n2d光斑＜d＜d2假定信标光最初的误差距离为d0，此时设置全窗口，在对信标光进行捕获跟踪的过程中，光斑误差位置逐渐减小，当减小到小于d1时，设置窗口大小为m1×n1，此窗口包含以检测中心为圆心，d1为半径的圆；当光斑误差位置减小到小于d2且大于光斑直径时，设置窗口大小为m2×n2，此窗口包含以检测中心为圆心，d2为半径的圆。根据不同情况，可以设置不同种类的窗口大小。由于窗口在逐渐减小，捕获跟踪过程的帧频在逐渐提高，从整个捕获跟踪过程来看，捕获跟踪时间会减小。控制器用于接收fpga计算的光斑中心位置误差，控制执行机构运动，进而调整光学装置接收信标光的角度，使信标光逐渐逼近光学装置的检测中心。可选地，采用plc可以直接计算并控制执行机构的伺服电机，精度高，实时性好。作为优选的具体实施方式，装置还包括显示器，fpga还用于将像素点灰度值的电信号转换为光斑图像数据，显示器根据光斑图像数据显示光斑。通过显示器可以直观的看到捕获跟踪信标光的效果。作为优选的具体实施方式，fpga为cmos图像传感器配置时钟、帧有效信号以及行有效信号，使得cmos图像传感器能够高效地感应光斑信号和调整感应光斑信号窗口的大小。参见图2所示，本发明还提供一种使用上述的信标光捕获跟踪装置的信标光捕获跟踪方法，包括以下步骤：s1，光学装置扫描捕获信标光，并传输光斑信号。具体地，光学装置由反射镜、合束镜、光学天线等光学器件组成，可以接收信标光并传输光斑信号。s2，cmos图像传感器接收光斑信号，并输出像素点灰度值的电信号。具体地，光学装置传输的光斑信号照射到cmos图像传感器，cmos图像传感器感应产生像素点灰度值的电信号。s3，fpga接收像素点灰度值的电信号，计算光斑相对于光学装置检测中心的中心位置误差。具体地，采用质心算法计算光斑的质心坐标(cx，cy)，并将质心坐标(cx，cy)与检测中心的坐标(cx0，cy0)相减得到所述光斑中心位置误差。用(x,y)表示像素点在cmos图像传感器焦平面中的坐标位置，v(x,y)为该像素点对应的灰度值，则光斑质心坐标计算公式可以表示为：其中，w(x,y)表示质心计算过程中每个像素点的权重，若像素点背景灰度值为t，则w(x,y)权重的计算公式为：s4，控制器接收fpga的光斑中心位置误差，控制执行机构运动，进而调整光学装置接收信标光的角度，使光学装置的检测中心靠近信标光。可选地，采用plc可以直接计算并控制执行机构的伺服电机，精度高，实时性好。s5，fpga根据光斑中心位置误差计算cmos图像传感器下一次感应光斑信号窗口大小。具体地，以检测中心为圆心、中心位置误差为半径的圆为基准，构建下一次cmos图像传感器感应光斑信号窗口，并使下一次感应光斑信号窗口的区域包含所述圆，且小于当前窗口的大小。关于捕获跟踪过程中cmos图像传感器感应光斑信号窗口大小的选择可以采取如下表所示方案：窗口大小位置误差大小全窗口320*256(初始)d1≤d＜d0m1×n1d2＜d＜d1m2×n2d光斑＜d＜d2假定信标光最初的误差距离为d0，此时设置全窗口，在对信标光进行捕获跟踪的过程中，光斑误差位置逐渐减小，当减小到小于d1时，设置窗口大小为m1×n1，此窗口包含以检测中心为圆心，d1为半径的圆。当光斑误差位置减小到小于d2且大于光斑直径时，设置窗口大小为m2×n2，此窗口包含以检测中心为圆心，d2为半径的圆。根据不同情况，可以设置不同种类的窗口大小。由于窗口在逐渐减小，捕获跟踪过程的帧频在逐渐提高，从整个捕获跟踪过程来看，捕获跟踪时间会减小。s6，重复步骤s2到s5，使信标光逐渐逼近所述光学装置的检测中心。作为优选的具体实施方式，所述fpga还用于将像素点灰度值的电信号转换为光斑图像数据并通过显示器显示。通过显示器可以直观的看到捕获跟踪信标光的效果。作为优选的具体实施方式，fpga为cmos图像传感器配置时钟、帧有效信号以及行有效信号，使得cmos图像传感器能够高效地感应光斑信号和调整感应光斑信号窗口的大小。本发明不局限于上述实施方式，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。当前第1页12